Många är intresserade av frågan om vilken struktur polymerer har. Svaret på det kommer att ges i den här artikeln. Polymeregenskaper (hädanefter - P) delas i allmänhet in i flera klasser beroende på i vilken skala egenskapen definieras, såväl som på dess fysiska grund. Den mest grundläggande egenskapen hos dessa ämnen är identiteten för deras ingående monomerer (M). Den andra uppsättningen egenskaper, känd som mikrostruktur, betecknar i huvudsak arrangemanget av dessa M i P på en skala av ett Z. Dessa grundläggande strukturella egenskaper spelar en viktig roll för att bestämma de fysikaliska egenskaperna hos dessa ämnen, vilket visar hur P beter sig som ett makroskopiskt material. Kemiska egenskaper på nanoskala beskriver hur kedjor interagerar genom olika fysikaliska krafter. På en makroskala visar de hur grundläggande P interagerar med andra kemikalier och lösningsmedel.
Identity
Identiteten för de återkommande länkarna som utgör P:et är dess första ochden viktigaste egenskapen. Nomenklaturen för dessa ämnen är vanligtvis baserad på typen av monomerrester som utgör P. Polymerer som bara innehåller en typ av upprepande enhet kallas homo-P. Samtidigt är Ps innehållande två eller flera typer av upprepade enheter kända som sampolymerer. Terpolymerer innehåller tre typer av upprepade enheter.
Polystyren, till exempel, består endast av styren M-rester och klassificeras därför som Homo-P. Etylenvinylacetat, å andra sidan, innehåller mer än en typ av repeterande enheter och är således en sampolymer. Vissa biologiska Ps är sammansatta av många olika men strukturellt besläktade monomera rester; till exempel består polynukleotider som DNA av fyra typer av nukleotidsubenheter.
En polymermolekyl som innehåller joniserbara subenheter är känd som en polyelektrolyt eller jonomer.
Mikrostruktur
Mikrostrukturen hos en polymer (ibland kallad konfiguration) är relaterad till det fysiska arrangemanget av M-rester längs huvudkedjan. Dessa är element i P-strukturen som kräver att en kovalent bindning bryts för att förändras. Strukturen har ett starkt inflytande på andra egenskaper hos P. Till exempel kan två prover av naturgummi visa olika hållbarhet även om deras molekyler innehåller samma monomerer.
Struktur och egenskaper hos polymerer
Denna punkt är extremt viktig att förtydliga. En viktig mikrostrukturell egenskap hos polymerstrukturen är dess arkitektur och form, som är relaterade till hurgrenpunkter leder till en avvikelse från en enkel linjär kedja. Den grenade molekylen av detta ämne består av en huvudkedja med en eller flera sidokedjor eller substituentgrenar. Typer av grenade Ps inkluderar stjärn Ps, kam Ps, borste Ps, dendroniserade Ps, stege Ps och dendrimerer. Det finns också tvådimensionella polymerer som består av topologiskt platta repeterande enheter. En mängd olika tekniker kan användas för att syntetisera P-material med olika anordningstyper, såsom levande polymerisation.
Andra kvaliteter
Kompositionen och strukturen hos polymerer inom polymervetenskap är relaterad till hur förgrening leder till avvikelse från en strikt linjär P-kedja. Förgreningar kan ske slumpmässigt, eller reaktioner kan utformas för att rikta in sig på specifika arkitekturer. Detta är en viktig mikrostrukturell egenskap. Arkitekturen hos en polymer påverkar många av dess fysikaliska egenskaper, inklusive lösnings- och smältviskositet, löslighet i olika kompositioner, glasövergångstemperatur och storleken på individuella P-spolar i lösning. Detta är viktigt för att studera komponenterna som ingår och strukturen hos polymerer.
Branching
Grenar kan bildas när den växande änden av en polymermolekyl fäster antingen (a) tillbaka till sig själv eller (b) till en annan P-sträng, som båda, genom väteborttagning, kan skapa en tillväxtzon för mitten kedja.
Förgreningseffekt - kemisk tvärbindning -bildning av kovalenta bindningar mellan kedjor. Tvärbindning tenderar att öka Tg och öka styrka och seghet. Bland andra användningsområden används denna process för att stärka gummin i en process som kallas vulkanisering, som är beroende av svaveltvärbindning. Bildäck har till exempel hög hållfasthet och tvärbindning för att minska luftläckage och öka deras hållbarhet. Gummit är däremot inte tvärbundet, vilket gör att gummit kan lossna och förhindrar skador på papperet. Polymerisationen av rent svavel vid högre temperaturer förklarar också varför det blir mer trögflytande vid högre temperaturer i smält tillstånd.
Grid
En starkt tvärbunden polymermolekyl kallas ett P-nätverk. Ett tillräckligt högt förhållande mellan tvärbindning och sträng (C) kan leda till bildandet av ett så kallat oändligt nätverk eller gel, där varje sådan gren är kopplad till åtminstone en annan.
Med den kontinuerliga utvecklingen av levande polymerisation blir syntesen av dessa ämnen med en specifik arkitektur lättare. Arkitekturer som stjärna, kam, borste, dendroniserade, dendrimerer och ringpolymerer är möjliga. Dessa kemiska föreningar med komplex arkitektur kan syntetiseras antingen genom att använda speciellt utvalda utgångsföreningar, eller först genom att syntetisera linjära kedjor som genomgår ytterligare reaktioner för att länka till varandra. Knuten Ps består av många intramolekylära cykliseringarlänkar i en P-kedja (PC).
Branching
I allmänhet gäller att ju högre grad av förgrening, desto kompaktare är polymerkedjan. De påverkar också kedjeintrassling, förmågan att glida förbi varandra, vilket i sin tur påverkar bulkfysikaliska egenskaper. Långkedjetöjningar kan förbättra polymerstyrkan, segheten och glasövergångstemperaturen (Tg) på grund av en ökning av antalet bindningar i föreningen. Å andra sidan kan ett slumpmässigt och kort värde på Z minska hållfastheten hos materialet på grund av en kränkning av kedjornas förmåga att interagera med varandra eller kristallisera, vilket beror på strukturen hos polymermolekyler.
Ett exempel på effekten av förgrening på fysikaliska egenskaper finns i polyeten. Högdensitetspolyeten (HDPE) har mycket låg förgreningsgrad, är relativt styv och används vid tillverkning av till exempel skottsäkra västar. Å andra sidan har lågdensitetspolyeten (LDPE) en betydande mängd långa och korta trådar, är relativt flexibel och används i applikationer som plastfilmer. Den kemiska strukturen hos polymerer gynnar just sådana tillämpningar.
Dendrimers
Dendrimerer är ett specialfall av en grenad polymer, där varje monomer enhet också är en grenpunkt. Detta tenderar att minska intermolekylär kedjetrassling och kristallisation. En relaterad arkitektur, den dendritiska polymeren, är inte perfekt grenad men har liknande egenskaper som dendrimererpå grund av deras höga förgreningsgrad.
Graden av strukturell komplexitet som uppstår under polymerisation kan bero på funktionaliteten hos de använda monomererna. Till exempel, vid friradikalpolymerisation av styren kommer tillsatsen av divinylbensen, som har en funktionalitet på 2, att leda till bildningen av grenad P.
Engineering polymers
Konstruerade polymerer inkluderar naturliga material som gummi, syntet, plast och elastomerer. De är mycket användbara råvaror eftersom deras strukturer kan ändras och anpassas för att producera material:
- med en rad mekaniska egenskaper;
- i ett brett urval av färger;
- med olika transparensegenskaper.
Molekylär struktur för polymerer
En polymer består av många enkla molekyler som upprepar strukturella enheter som kallas monomerer (M). En molekyl av detta ämne kan bestå av hundratals till miljoner M och har en linjär, grenad eller nätverksstruktur. Kovalenta bindningar håller samman atomerna och sekundära bindningar håller sedan samman grupperna av polymerkedjor för att bilda polymaterialet. Sampolymerer är typer av detta ämne, som består av två eller flera olika typer av M.
En polymer är ett organiskt material, och grunden för en sådan typ av substans är en kedja av kolatomer. En kolatom har fyra elektroner i sitt yttre skal. Var och en av dessa valenselektroner kan bilda en kovalenten bindning med en annan kolatom eller med en främmande atom. Nyckeln till att förstå strukturen hos en polymer är att två kolatomer kan ha upp till tre bindningar gemensamma och fortfarande binda med andra atomer. De grundämnen som är vanligast förekommande i denna kemiska förening och deras valensnummer är: H, F, Cl, Bf och I med 1 valenselektron; O och S med 2 valenselektroner; n med 3 valenselektroner och C och Si med 4 valenselektroner.
Exempel på polyeten
Förmågan hos molekyler att bilda långa kedjor är avgörande för att göra en polymer. Tänk på materialet polyeten, som är tillverkat av etangas, C2H6. Etangas har två kolatomer i kedjan, och var och en har två valenselektroner med den andra. Om två etanmolekyler är sammanbundna kan en av kolbindningarna i varje molekyl brytas och de två molekylerna kan förenas med en kol-kolbindning. Efter att två meter är anslutna återstår ytterligare två fria valenselektroner i varje ände av kedjan för att koppla ihop andra mätare eller P-strängar. Processen kan fortsätta att koppla samman fler mätare och polymerer tills den stoppas av tillsatsen av en annan kemikalie (terminator) som fyller den tillgängliga bindningen i varje ände av molekylen. Detta kallas en linjär polymer och är byggstenen för termoplastiska föreningar.
Polymerkedjan visas ofta i två dimensioner, men det bör noteras att de har en tredimensionell polymerstruktur. Varje länk har en vinkel på 109° motnästa, och därför löper kolstommen genom rymden som en tvinnad kedja av TinkerToys. När spänning appliceras sträcker dessa kedjor, och förlängningen P kan vara tusentals gånger större än i kristallina strukturer. Dessa är de strukturella egenskaperna hos polymerer.
